[发明专利]三维梯度网状碳纤维/HA/麦饭石医用复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明为一种三维梯度网状碳纤维/HA/麦饭石医用复合材料的制备方法。

背景技术

生物医用材料是指用于对生物进行诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料；生物医学材料不但有很高的技术含量和经济价值，而且与人们的生命和健康息息相关，由于社会老龄化越来越严重，对人造齿、人造骨、人造齿根的需求越来越大，汽车工业的高速发展，车祸等意外的原因经常导致的骨折、骨缺损事故的增多同样也使人造骨的应用增多。

生物医用材料大体可分为三大类：医用有机高分子材料、医用金属及其合金和医用无机非金属材料。近20年来无机生物医用材料的研究及其应用十分活跃，其中倍受注目的是羟基磷灰石（hydroxyapatite）活性陶瓷材料的研究和临床应用。羟基磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]，简称HA，是在化学成分、组成和结构上酷似人体硬组织（如骨，牙齿）的一种无机质，HA是脊椎动物的骨和齿的主要无机成分，如人体骨中HA的质量分数约占60%左右，人牙齿的牙釉质则含95%以上。与其他的生物材料相比，人工合成HA陶瓷的机体亲和性最为优良，置入人体后不会引起排斥反应，毒性试验证明HA是无毒性物，因而应用广泛，成为医用生物陶瓷的“明星’。用作骨组织时，具有极好的化学和生物亲合性，用作骨移植材料时，具有良好的生物相容性和骨传导性，即新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长，能与组织在界面上形成化学键性结合。然而，由于合成的HA比较脆弱，其断裂韧性较低（K_IC=1.2MPa·m^1/2），强度较低（小于100 MPa），而人体骨强度大约在110 MPa。因而被严格限制在非动载环境中使用，如：人工齿骨、耳骨及充填骨缺损等。迄今为止，合成HA能否广泛应用主要取决于是否能够有效地提高其强度和韧性。

为提高HA陶瓷的力学性能，使之在临床上得以推广应用，许多学者开展了大量研究与探索，试图用金属、陶瓷或高分子等与之复合，以期得到一种理想的骨修复材料。但都没有从根本上解决其强度和韧性低的难题，难以满足临床应用的要求。碳纤维是一类力学性能优异的无机非金属材料，它具有以下3个特点：(1)良好的生物兼容性。对生物体组织刺激性小，无毒副作用，不致癌，不过敏，不引起炎症反应；(2)良好的物理和力学特性。强度大、模量高，韧性和延度性高，弯曲强度高，导热性好，尺寸稳定性好；(3)与块状碳相似，具有良好的化学稳定性。耐化学腐蚀性高，仅能被强氧化剂氧化，一般酸碱对它作用很小，在人体内不易被腐蚀。碳纤维是一种理想的增强材料，已广泛应用于医学、生命科学等领域。由于连续纤维增强材料存在各向异性问题，在纤维方向具有很高的强度和模量，但在垂直于纤维方向常发生横向开裂和脱层问题，所制备的复合材料仅可用于颅骨等宽骨的替代，而不适用于长、短骨等不规则骨的修复和替代。当采用短切碳纤维增强HA时，HA强度的提高幅度非常有限。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有所存在的问题，提供一种三维梯度网状碳纤维/HA/麦饭石医用复合材料的制备方法；该种方法可以提高HA基体的强度和韧性，解决HA材料强度低、韧性差的缺点，使其有望应用于动载荷工作条件下。此外，HA基体中加入的纳米麦饭石颗粒含有对人体有益的微量元素，通过红外辐射调节人体的新陈代谢，增进血液循环，加速骨组织的生长和伤口的愈合。

本发明的技术方案是：

首先通过传统三维编织技术将长碳纤维编织成具有独特梯度孔隙结构的三维梯度网状多孔骨架，然后采用直流-脉冲阳极氧化及碱处理方法对三维梯度网状多孔骨架进行表面改性；最后采用离心成型技术将纳米HA和纳米麦饭石颗粒与三维梯度网状碳纤维骨架复合，生坯脱模干燥后烧结成新型的三维梯度网状碳纤维/HA/麦饭石医用复合材料。

其具体的制备方法是：

1、三维梯度网状碳纤维骨架的制作

将长碳纤维编织成具有独特梯度孔隙结构的三维梯度网状多孔骨架，简称三维梯度网状碳纤维；所说的三维梯度网状碳纤维骨架有二种结构，第一种为两端孔隙度高，心部孔隙度低的梯度多孔结构，高孔隙度范围为60-70%，低孔隙度范围为40-50%；第二种为孔隙度从一端向另一段连续降低的梯度多孔结构，其孔隙度在70%-40%；

2、对三维梯度网状碳纤维骨架进行直流-脉冲阳极氧化及碱处理